(57)【要約】  特に電気化学システムまたはＨＶＡＣ用途におけるプロセスガスを加湿するための、複数の金属フロープレート（２５、３８）および複数の水伝達膜（４１）を有する加湿器（１）である。金属フロープレートを有する加湿器は従来、充分な封止を確保するために、隣接する水伝達膜の対の間に少なくとも２つフロープレートを含めて構成されていた。本加湿器の構造は、一方では各場合において単層フロープレート（２５、３８）のうちの多くとも１つが積層体の隣接する水伝達膜（４１）の間に配置され、他方では各場合において水伝達膜（４１）のうちの少なくとも１つが積層体の隣接するフロープレート（２５、３８）の互いに向き合う封止ラインの間に封止的に収容される、特に封止的に挟持されるように、金属フロープレート（２５、３８）および水伝達膜（４１）が配置されるものである。本加湿器は、生産コストがより低く、より高効率かつより低重量である。
2019537192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に電気化学システムまたはＨＶＡＣ用途におけるプロセスガスを加湿するための加湿器であって、
複数のフロープレートおよび複数の水伝達膜を有する積層体を備え、
前記フロープレートは、各々が丁度一層の金属シートで形成され、
前記金属シートと一体の部分として形成され、前記金属シートの互いに反対側に位置する平坦面上に少なくとも１つの封止ラインを形成する、少なくとも１つの封止ビードが、前記金属シートに形成され、
前記フロープレートおよび前記水伝達膜は、前記フロープレートのうちの多くとも１つが、前記積層体の隣接する水伝達膜の間に配置されるように配置され、
前記水伝達膜のうちの少なくとも１つが、前記積層体の隣接するフロープレートの互いに向き合う前記封止ラインの間に封止的に受けられる、特に封止的に押し挟まれる、
加湿器。
【請求項２】
前記積層体が間に配置される２つのエンドプレートと、前記エンドプレートの間に配置されて前記積層体を前記エンドプレートに末端接続する２つの積層体末端プレートと、前記積層体末端プレートの間に配置される前記フロープレートを含む積層体内部とを有し、好ましくは前記積層体内部が構造タイプの異なる多くとも２つのタイプのフロープレートを含むよう、前記積層体内部の前記フロープレートのうちの少なくとも２つ、好ましくは前記積層体内部の前記フロープレートのうち１つおきのものが、互いに構造的に同一である、請求項１に記載の加湿器。
【請求項３】
前記積層体内部の全てのフロープレートが、互いに構造的に同一である、請求項２に記載の加湿器。
【請求項４】
前記積層体内部の構造的に同一な前記フロープレートの前記金属シートの第１平坦面および第２平坦面は、各々が異なって設計され、前記積層体内部の構造的に同一な前記フロープレートは、互いに隣接する前記積層体内部の構造的に同一なフロープレートの前記第１平坦面および前記第２平坦面が交互に互いに向き合うように配置および位置合わせされる、請求項３に記載の加湿器。
【請求項５】
前記フロープレートは各々、同じ封止ビードが、前記金属シートの第１平坦面上に第１封止ラインを形成し、前記金属シートの第２平坦面上に少なくとも１つの第２封止ラインを形成するように設計され、それぞれのフロープレートの表面平面に平行に位置合わせされた投影面への前記第１封止ラインの垂直投影、および前記投影面への前記第２封止ラインの垂直投影は、前記第１封止ラインの前記投影が前記第２封止ラインの前記投影を包囲する、または前記第２封止ラインの前記投影が前記第１封止ラインの前記投影を包囲するように延在し、前記第１封止ラインの前記投影および前記第２封止ラインの前記投影は、連続的に互いに離隔される、請求項１から４のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項６】
前記フロープレートは各々、二回対称性を有する対称軸を含み、前記フロープレートの前記第１封止ラインが、構造的に同一な第１隣接プレートの前記第１封止ライン上で封止的に支持可能であり、前記第２封止ラインが、構造的に同一な第２隣接プレートの前記第２封止ライン上で封止的に支持可能であるように設計される、請求項５に記載の加湿器。
【請求項７】
前記フロープレートは各々、前記フロープレートの２つの対角線が画定される矩形形状または実質的に矩形の形状を含み、同じ前記フロープレートの前記対角線は、交点で互いに交わり、それぞれの前記フロープレートの前記対称軸は、前記交点を通るように延在する、請求項６に記載の加湿器。
【請求項８】
前記フロープレートは各々、前記対称軸が、前記フロープレートの表面平面に垂直に位置合わせされるように設計される、請求項６または７に記載の加湿器。
【請求項９】
前記フロープレートは各々、前記対称軸、および／または二回対称性を有する前記フロープレートのさらなる対称軸が、前記フロープレートの表面平面に平行に位置合わせされるように設計される、請求項６から８のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項１０】
前記フロープレートは各々、ガスを誘導するためのフローフィールドを前記金属シートの前記平坦面のうち少なくとも１つの平坦面上に含み、前記フローフィールドは、好ましくは前記金属シートと一体として設計され、前記金属シートに形成される、前記ガスを誘導するためのチャネル構造を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項１１】
前記フロープレートは各々、前記金属シートの両平坦面上に複数のフローフィールドを含み、前記金属シートは、前記複数のフローフィールドの領域において、前記金属シートの互いに反対側に位置する前記平坦面上の前記複数のフローフィールドの間の流体接続を生じさせる貫通開口を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項１２】
前記フロープレートは各々、前記フローフィールドおよび／または前記複数のフローフィールドの各々が、それぞれ前記複数のフローフィールドおよび前記フローフィールドを封止するよう、前記封止ビードまたは複数の前記封止ビードのうちの１つにより包囲されるように設計される、請求項１０または１１に記載の加湿器。
【請求項１３】
前記フロープレートは各々、前記金属シートが、前記金属シートを通してガスを誘導するための貫通開口を含むように設計され、前記貫通開口は、前記貫通開口を封止するよう前記封止ビードまたは複数の前記封止ビードのうちの１つにより包囲される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項１４】
前記フロープレートは各々、前記貫通開口を包囲する前記封止ビードおよび／または前記フローフィールドを包囲する前記封止ビードが開口を含むように設計され、前記開口は、前記貫通開口と前記フローフィールドとの間の流体接続を生じさせる、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項１５】
前記フロープレートは各々、前記貫通開口を包囲する前記封止ビードが、それぞれの前記貫通開口から離れる方を向く面上に、水伝達膜または支持媒体を支持するためのウェブ状連続体を含むように設計される、請求項１３または１４に記載の加湿器。
【請求項１６】
前記フロープレートは各々、前記封止ビードまたは複数の前記封止ビードが、ビード頂部と、前記ビード頂部の両側に形成される２つのビード脚部とを含むように設計され、前記２つのビード脚部は、前記金属シートの第１平坦面上に２つの第１封止ラインを形成し、前記ビード頂部は、前記金属シートの第２平坦面上に少なくとも１つの第２封止ラインを形成する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項１７】
前記フロープレートは各々、前記金属シートがステンレス鋼から形成されるように設計される、請求項１から１６のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項１８】
前記フロープレートは各々、前記金属シートのシート厚が、多くとも２００μｍ、好ましくは多くとも１５０μｍもしくは多くとも１２０μｍ、または特に好ましくは多くとも９０μｍであるように設計される、請求項１から１７のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項１９】
前記フロープレートは、前記積層体の前記フロープレートの貫通開口が、位置合わせされて配置され、加湿対象ガス、除湿対象ガス、加湿済みガスおよび除湿済みガスを誘導するよう積層方向において前記積層体を通して延びる導管を形成するように設計および配置され、前記導管は各々、ガス接続部と流体接続する、請求項１から１８のいずれか一項に記載の加湿器。
【請求項２０】
加湿対象ガスおよび／または加湿済みガスを受けるための体積を各々が間に囲む２つの水伝達膜が、前記積層体の２つの隣接するフロープレートの間に配置され、前記体積は、加湿対象ガスを誘導するための前記導管および加湿済みガスを誘導するための前記導管と流体接続する、請求項１９に記載の加湿器。
【請求項２１】
好ましくは環状のスペーサが、前記体積を囲む前記水伝達膜の間において、前記導管の領域に配置され、前記スペーサは、前記体積を囲む前記水伝達膜を、前記導管の領域において、隣接する前記フロープレートに封止的に押し付ける、請求項２０に記載の加湿器。
【請求項２２】
前記環状のスペーサは、それぞれの前記導管と前記体積との間の流体接続を生じさせる凹部および／または開口を含む、請求項２１に記載の加湿器。
【請求項２３】
前記フロープレートの前記封止ビードは各々、前記封止ビードが形成する前記封止ラインのうちの少なくとも１つに沿って、好ましくは連続的な被膜を含む、請求項１から２２のいずれか一項に記載の加湿器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のフロープレートおよび複数の水伝達膜を有する積層体を備える加湿器に関する。特に、そのような加湿器は、電気化学システムにおけるプロセスガスの加湿に好適である。上記の電気化学システムについて、これらは例えば燃料電池システム、電気化学コンプレッサ、または電気分解装置等であってよい。電気化学システム分野における用途の他、加湿器は、建築技術分野における空気処理および輸送機関内の空気管理、すなわち、「暖房、換気および空調」（ＨＶＡＣ）の用語の下に共に分類される分野に適用されるものであってもよい。
【背景技術】
【０００２】
ＤＥ１０２０１３２０８８７７Ａ１は、複数の積層された二重層フロープレートと、フロープレート間に配置された水伝達膜とを備える、特に燃料電池のプロセスガスの加湿用の加湿器について記載している。ＤＥ１０２０１３２０８８７７Ａ１に係る加湿器は、封止ビードと、封止ビード内に配置され、プレートのポート開口とプレート表面上に配置されるフローフィールドとの間の流体接続を生じさせる開口とを有する封止構造をさらに備える。これらの封止構造は、比較的単純かつ製造が安価であり、加湿器の効率的かつ高信頼な動作をさらに確実にする。ＤＥ１０２０１３２０８８７７Ａ１、例えば図３ａにおいて、２つの隣接するフロープレートと、これら２つの隣接するフロープレートの間に配置される水伝達膜との斜視図が図示されている。
【０００３】
ＤＥ１０２０１３２０８８７７Ａ１に係る従来技術を出発点として、本発明の目的は、加湿器の製造および動作に伴うコストをよりいっそう低減し、またその効率をなおいっそう改善することにある。
【発明の概要】
【０００４】
この目的は、請求項１に記載の加湿器によって達成される。また、特別な実施形態が従属請求項に記載されている。
【０００５】
ここで、複数のフロープレートおよび複数の水伝達膜を有する積層体を備える、特に電気化学システムまたはＨＶＡＣ用途におけるプロセスガスを加湿するための加湿器を提案する。フロープレートは、各々が丁度一層の金属シートで形成される。金属シートと一体の部分として形成され、金属シートの互いに反対側に位置する平坦面上に少なくとも１つの封止ラインを形成する、少なくとも１つの封止ビードが、金属シートに形成される。フロープレートおよび水伝達膜は、単層フロープレートのうちの多くとも１つが、積層体の隣接する水伝達膜の間に配置されるように配置される。さらに、フロープレートの封止ビードは、水伝達膜のうちの少なくとも１つが、積層体の隣接するフロープレートの互いに向き合う封止ラインの間に封止的に受けられる、特に封止的に押し挟まれるように設計される。従って、フロープレートは、好ましくは、隣接するフロープレートが、互いに向き合うそれらの封止ラインに沿って互いを支持するように配置および設計される。
【０００６】
フロープレートが各々丁度一層の金属シートで形成され、単層フロープレートのうちの多くとも１つが積層体の隣接する水伝達膜の間に配置されるようにフロープレートおよび水伝達膜が配置されることにより、所与の数の加湿器セルを有する加湿器の製造に必要な金属層の数を、ＤＥ１０２０１３２０８８７７Ａ１に記載の加湿器と比較して著しく低減することができる。一方では、これにより製造コストが大幅に低減される。他方では、これにより、加湿器がより計量かつ小型に設計され、また加湿器の総体積に対する加湿器セルの体積の割合がＤＥ１０２０１３２０８８７７Ａ１に係る加湿器と比較すると決定的に増大するので、加湿器の効率が大きく増大する。加湿器のこの改善は、とりわけ、単層フロープレートの封止ビードが、水伝達膜のうちの少なくとも１つが積層体の隣接するフロープレートの互いに向き合う封止ラインの間に封止的に受けられる、特に封止的に押し挟まれるように設計されることによって可能となる。
【０００７】
プラスチック製のフロープレートと比較して、ここで提案する金属製のフロープレートは、より経済的に製造できるだけでなく、より大幅に迅速にかつより高い精度で製造することもできる。さらに、金属の熱膨張度はプラスチックと比較して低いことから、加湿器の動作中におけるフロープレート積層体内の機械的応力が低減され、それによって加湿器の耐用年数が延びる。
【０００８】
加湿器は通常、フロープレート積層体が間に配置または挟持される２つのエンドプレートと、エンドプレートの間に配置されて積層体をエンドプレートに末端接続する２つの積層体末端プレートと、積層体末端プレートの間に配置されるフロープレートを含む積層体内部とを備える。積層体内部のフロープレートのうちの少なくとも２つ、好ましくは積層体内部のフロープレートのうち１つおきのものが、互いに同一に構築されてよい。従って、積層体内部は、好ましくは、構造タイプの異なる多くとも２つのタイプのフロープレートを含む。特に好ましくは、積層体内部の全てのフロープレートが、互いに同一に構築される。これにより、加湿器の製造がさらに簡略化され、製造コストがさらに低減する。
【０００９】
積層体内部の構造的に同一なフロープレートの金属シートの第１平坦面および第２平坦面は通常、各々が異なって設計される。特に、積層体内部の構造的に同一なフロープレートは、積層体内部の隣接する構造的に同一なフロープレートの第１平坦面および第２平坦面が交互に互いに向き合うように配置および位置合わせされる。積層体内部は、例えば互いに構造的に同一なフロープレートのみを含む場合、積層体のフロープレートの第１平坦面が、交互に加湿器の第１エンドプレートおよび第２エンドプレートに向くように積層および位置合わせされたものを含む。
【００１０】
フロープレートは各々、同じ封止ビードが、金属シートの第１平坦面上に第１封止ラインを形成し、金属シートの第２平坦面上に第２封止ラインを形成するように設計されてよい。それぞれのフロープレートの表面平面に平行に位置合わせされた投影面への第１封止ラインの垂直投影、および同じ投影面への第２封止ラインの垂直投影は、第１封止ラインの投影が第２封止ラインの投影を包囲する、または第２封止ラインの投影が第１封止ラインの投影を包囲するように延在する。特に、少なくとも１つの水伝達膜をフロープレートの各平坦面上に封止的に受けさせるまたは押し付けることを可能とする、フロープレートの封止ビードまたは複数の封止ビードのこの設計により、フロープレートの単一層設計が可能となり、これに伴って加湿器の重量、体積、低い製造コスト、および効率に関する利点が生じる。ここで、封止ビードは、さらに好ましくは、第１封止ラインの投影および第２封止ラインの投影が、連続的にすなわちそれらの経路全体に沿って、互いに離隔されるように設計される。
【００１１】
フロープレート、特に積層体内部のものは各々、所与のフロープレートの第１封止ラインが、例えばこのフロープレートと構造的に同一であり積層体においてこれに直接隣接する第１隣接プレートの第１封止ライン上で封止的に支持可能であり、第２封止ラインが、このフロープレートと構造的に同一であり積層体においてこれに直接隣接する第２隣接プレートの第２封止ライン上で封止的に支持可能であるとともに、具体的には好ましくはこれら直接隣接するフロープレートの封止ラインの間で少なくとも１つの水伝達膜を受けるように設計されてよい。これは例えば、フロープレート、特に積層体内部のものが各々、二回対称性を有する少なくとも１つの対称軸を含むことを含んでよい。対称軸は、フロープレートの表面平面に垂直または平行に位置合わせされてよい。また、積層体の隣接するフロープレートが、封止ビードにより形成される封止ラインの経路に関してのみ互いに構造的に同一であり、例えばそれぞれの封止ビードを通してプロセスガスを誘導するための封止ビードにおける開口の有無に関して、特にそれぞれの封止ビードにおけるそのような開口の配置に関しては異なることが考えられる。
【００１２】
フロープレートの封止ビードまたは複数の封止ビードは各々、それらが形成する封止ラインのうちの少なくとも１つに沿った被膜を含んでよい。この被膜は、好ましくは連続的であり、封止ライン全部に沿って広がる。これにより、封止ビードの封止効果を、および可能性として積層方向つまりそれぞれのフロープレートの表面平面に垂直な方向におけるそれらの弾性を増大させることができる。
【００１３】
フロープレートは各々、矩形形状または実質的に矩形の形状を含んでよい。これは、フロープレートの隅部または隅部のうちの少なくともいくつかに丸みがつけられることを含んでよい。交点で互いに交わるフロープレートの２つの対角線が、フロープレートの矩形または実質的に矩形の形状によって画定されてよい。このとき、フロープレートの二回対称軸は、例えばこの交点を通るように延在してよい。
【００１４】
フロープレート、特に積層体内部のものは各々、ガスを誘導するためのフローフィールドを金属シートの平坦面のうち少なくとも１つの平坦面上に含んでよい。ガスは、フローフィールドの領域において的確にかつ画定的にプレート表面に沿って導かれてよい。そのため、加湿器セルあたりの水伝達率を増大させることができ、加湿器の効率がさらに増大する。フローフィールドは、好ましくは金属シートと一体として設計される。例えば、フローフィールドは、金属シートに形成されるチャネル構造を含んでよい。
【００１５】
また、フロープレートは各々、金属シートの両平坦面上にフローフィールドを含んでよい。これにより、加湿器の効率をまたさらに増大させることができる。例えば、フローフィールドは各々、チャネル状の溝と、チャネル状の溝を互いに分離するウェブとを含んでよい。これらは例えば、フロープレートの第１平坦面上のフローフィールドのチャネル状の溝の裏面が、フロープレートの第２平坦面上のフローフィールドのウェブを形成し、またはその逆であるように設計されてよい。
【００１６】
フロープレートの金属シートは、フローフィールドの領域においてフロープレートの両平坦面上に、金属シートの互いに反対側に位置する平坦面上のフローフィールドの間の流体接続を生じさせる貫通開口をさらに含んでよい。従って、フロープレートの互いに反対側に位置する平坦面上のフローフィールドにおける流動の挙動が、例えば画定されるよう影響を受けてよい。特に、水交換が、膜に近い平面の間でのみ起きることを防ぐことができる。さらに、これらの貫通開口は、フロープレートの表面平面に垂直に位置合わせる速度成分が、フロープレートの第１平坦面上のフローフィールドからフロープレートの第２平坦面上のフローフィールド内へと、またはその逆に、貫通開口を通して向きを転じるガスに印加されるように設計されてよい。これにより、フロープレートの表面平面に垂直なガスの流通混合を実現または改善することができる。従って、このフローフィールドに隣接するまたはこのフローフィールドに隣接する水伝達膜を介して、水伝達率を増大させることができる。例えば、貫通開口は、表面平面に平行な平面への貫通開口の投影が各々、ゼロとは異なる面積を有するように設計されてよい。この変形例では、フロープレートは、フローフィールドの領域において異なる媒体を分離するよう機能しない。これに対し、ここでは、同じ媒体、すなわち加湿対象ガスおよびその後の工程で加湿済みとなったガスまたは湿潤ガスおよびその後の過程で含有湿度がより低くなったガスが、フロープレートの両側を流動することが好ましい。これは、単極性構造という用語で表すこともできる。ここでのガス系統の分離は、水伝達膜を介してのみ実現される。
【００１７】
フロープレートは各々、フローフィールドおよび／または複数のフローフィールドの各々が、複数のフローフィールドおよびフローフィールドを封止するよう、上記封止ビードまたは複数の封止ビードのうちの１つにより包囲されるように設計されてよい。
【００１８】
典型的には、フロープレートは各々、金属シートが金属シートを通してガスを誘導するための貫通開口を含むように設計される。通常、フロープレートは、フロープレートの上記貫通開口が、互いに位置合わせされ、それにより積層方向において積層体を通して延び加湿器のガス入口またはガス出口と各々が流体接続する導管を形成するように、加湿器において積層および位置合わせされる。このガス出口またはガス入口は、通常、加湿器のエンドプレートのうち少なくとも１つのエンドプレート上に配置される。このとき、貫通開口は各々、貫通開口を封止するよう、封止ビードまたは複数の封止ビードのうちの１つにより包囲されてよい。貫通開口および／またはフローフィールドを包囲する封止ビードは、それぞれの貫通開口とフローフィールドとの間の流体接続を生じさせる開口を含んでよい。これに加えてまたはこれに代えて、貫通開口を包囲する封止ビードは、それぞれの貫通開口から離れた面において、水伝達膜または支持媒体の支持のためのウェブ状突起部を含んでよい。
【００１９】
フロープレートは各々、封止ビードまたは複数の封止ビードが、ビード頂部と、ビード頂部の両側に形成される２つのビード脚部とを含むように設計されてよい。このとき２つのビード脚部は、金属シートの第１平坦面上に２つの第１封止ラインを形成してよく、このときビード頂部は、その形状に応じて、金属シートの第２平坦面上に丁度１つの第２封止ラインまたは少なくとも２つの第２封止ラインを形成してよい。有利には、少なくとも１つの第１封止ラインおよび第２封止ラインは、閉じた封止ラインを形成するように、封止ビードの経路全部に沿って延在する。これに対し、第１封止ラインの１つおきのものは、断絶を含んでよく、好ましくは封止ビードを支持するよう機能する。
【００２０】
封止ビードの別の可能な実施形態として、断面視において、例えば横たえた「Ｓ」字の経路、または正弦曲線の周期長だけ離隔して配置される２つのゼロ交差点の間における正弦曲線の周期の経路にほぼ対応する形状を有する封止ビードが想定される。このとき、金属シートの互いに反対側に位置する平坦面上の封止ラインは、例えば、正弦曲線のこの周期の領域における正弦曲線の最大部または最小部に沿って、または横たえた「Ｓ」字の「膨らみ」の領域において延在する。勿論、このように設計された封止ビードは、上記の例（正弦周期、横たえた「Ｓ」字）とは異なる断面を有してもよい。例えば、この封止ビードは、断面視において、直線状のおよび／または角度のついた経路を部分的に有してもよい。例えば、通常、このように設計された封止ビードは、断面視において、少なくともそれが形成する封止ラインの領域において、部分的に直線状に延在する、つまり封止ラインが各々ゼロとは異なる幅を有することが有利である。これによって、それらの封止効果を改善することができ、積層体の安定性が増大する。このように設計された、閉ループを形成する封止ビードは、例えば、フロープレートの表面平面に平行に位置合わせされた投影面へのその２つの封止ラインの投影が、先述のとおり、第１封止ラインの投影が第２封止ラインの投影を完全に包囲する、またはその逆となるように延在するように設計されてよい。
【００２１】
フロープレートまたはフロープレートのうちの少なくともいくつかの金属シートは、ステンレス鋼から設計されてよい。ステンレス鋼は、特に安定であり、機械加工が容易にでき、また腐食しにくい。有利には、金属シートのシート厚は、多くとも２００μｍ、多くとも１５０μｍ、多くとも１２０μｍ、または多くとも９０μｍである。このような薄型設計の金属シートは、加湿器の低製造コスト、低重量、および小型構造に有利に寄与することができる。さらに、フロープレートは、特に封止要素の微細封止のため、または腐食保護のために、例えば親水性または疎水性被膜によって、完全にまたは少なくとも部分的に被覆されてよい。
【００２２】
フロープレートは、積層体のフロープレートの貫通開口が、位置合わせされて配置され、加湿対象ガス、除湿対象ガス、加湿済みガスおよび除湿済みガスを誘導するよう積層方向に積層体を通して延びる導管を形成するように設計および配置されてよい。前述のとおり、これらの導管は、好ましくは各々が加湿器のガス接続部と流体接続する。
【００２３】
積層体の２つの隣接するフロープレートの間に配置される２つの水伝達膜であって、加湿対象ガスを受け、その後の過程では加湿済みガスを受けるための第１体積をそれらの間に囲む膜を想定することができる。このとき、この第１体積は、好ましくは、加湿済みガスとすべきガスを誘導するための導管および加湿済みガスを誘導するための導管と流体接続する。これに対応して、第１体積を囲む２つの水伝達膜は、隣接するフロープレートと共に、各々、除湿対象ガスを受け、その後の過程では除湿済みガスを受けるための第２体積を囲む。このとき、第１体積の両側に配置されるこれらの第２体積は、好ましくは、各々、除湿対象ガスを誘導するための導管および除湿済みガスを誘導するための導管と流体接続する。加湿器の動作時、第１体積は、好ましくは、乾燥ガスを圧力ｐ１で第１体積内へ導入するコンプレッサと流体接続し、第２体積は、水蒸気を豊富に含む湿潤ガスを第２圧力ｐ２で第２体積内へ誘導する例えば燃料電池積層体のガス出口と流体接続し、ここでｐ１＞ｐ２である。従って、より高い圧力ｐ１の乾燥ガスは、第１体積を膨張させ、第１体積を囲む２つの水伝達膜を隣接するフロープレートに対して押圧する。互いに隣接する２つのフロープレートの間に配置される２つの水伝達膜は、連続する水伝達膜の２つの区域、特に一回折り畳んだものであってもよい。
【００２４】
好ましくは環状のスペーサが、第１体積を囲む水伝達膜の間において、特に２つの導管の領域に配置されてよい。このとき、このスペーサは、例えば、導管の領域において、第１体積を囲む水伝達膜を隣接するフロープレートに封止的に押し付けるように設計および配置される。スペーサは、それぞれの導管と第１体積との間の流体接続を各々が生じさせる凹部および／または開口を含んでよい。
【００２５】
ここで提案する加湿器の例示的実施形態を、図面に図示し、また後述の記載によってより詳細に説明する。以降、繰り返される特徴には各々同じ参照番号を付す。後述の例においては、複数の任意選択的な特徴が、一の例示的実施形態の形で互いに組み合わせて説明されている。これらの個々の実施形態／設計オプションは各々、それ自体が本発明の構成に適用されてもよく、または任意の組み合わせで、また個々の例示的実施形態を越えて適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１ａ】複数の加湿器セルを有する加湿器である。
【図１ｂ】図１に係る加湿器を有する電気化学システムである。
【図２ａ】従来技術に係るフロープレートの詳細の平面図である。
【図２ｂ】従来技術に係る加湿器を通る切断図である。
【図３ａ】本発明の一実施形態に係る加湿器のフロープレートの詳細の平面図である。
【図３ｂ】本発明の一実施形態に係る加湿器の一区域を通る切断図である。
【図３ｃ】本発明の一実施形態に係る加湿器の詳細図である。
【図４】本発明のさらなる実施形態に係る加湿器の一区域を通る切断図である。
【図５】本発明のさらなる実施形態に係る加湿器の一区域を通る切断図である。
【図６】本発明のさらなる実施形態に係る加湿器の一区域を通る切断図である。
【図７】図６に係る加湿器を通るさらなる切断図である。
【図８】本発明のさらなる実施形態に係る加湿器の一区域を通る切断図である。
【図９ａ】本発明のさらなる実施形態に係る加湿器の一区域を通る切断図である。
【図９ｂ】図９ａに係る加湿器の環状スペーサの実施形態である。
【図９ｃ】図９ａに係る加湿器の環状スペーサの実施形態である。
【図９ｄ】図９ａに係る加湿器の環状スペーサの実施形態である。
【図１０ａ】本発明に係る加湿器の単極性構造の模式図である。
【図１０ｂ】本発明に係る加湿器の単極性構造の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１ａは、積層方向２に積層され、各々が少なくとも１つのフロープレートおよび水伝達膜を含む加湿器セル３を有するブロック形状の加湿器１を斜視図で示す。ここで加湿器セルは、積層方向２において位置合わせされ外部誘導ガス接続部４、５、６、７内へと延出する貫通開口によって互いに接続される。ガス接続部４、５、６、７は、加湿器１のエンドプレート８、９のうちの１つを貫通する。ここでガス入口には参照番号４および５を付し、ガス出口には図示の番号６および７を付す。対応するガス流動方向をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示す。ここで、エンドプレート８、９に直接隣接する積層体末端プレート８ａ、９ａは通例、それらの設計に関して、加湿器の内側に配置される残りのフロープレートとは異なる。
【００２８】
加湿器１において積層される個々の加湿器セル３は、各々同じ外形寸法を有し、そのため積層すると平坦な側面を有する直方体が生じる。図１ｂは、コンプレッサ１１、加湿器１、および例えば複数の水素／酸素燃料電池セルを含む燃料電池積層体１２を有する電気化学システム１０を模式的に示す。例えば分子水素または分子酸素または空気である、加湿対象となる乾燥プロセスガスが、コンプレッサ１１から加湿器１へ、加湿器１の第１入口５を介して供給される。加湿器１内で加湿されたプロセスガスは、次いで燃料電池積層体１２へ加湿器１の第１出口６を介して送達される。そこにおいて、複数の膜電極ユニットによって種々のプロセスガスの化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。燃料電池積層体１２におけるプロセスガスの反応に伴って生じる水分を含んだ排出空気は、第２入口４を介して加湿器に供給され、そこにおいて、第１入口５を介して加湿器１に供給される乾燥プロセスガスを、水伝達膜を通して加湿するよう機能する。除湿済みガスは、加湿器１の第２出口７を介して例えば周囲に送達される。図１ｂの大文字は、ガス接続部に関連して、図１ａにおいて同様に示され、これに関する記載において説明されているガス流動方向に対応する。燃料電池積層体１２内で加湿されるガスは、燃料電池積層体１２内で圧力降下を受けていることに起因して、燃料電池積層体１２から加湿器１へ入口４を介して供給される湿潤ガスの圧力は、コンプレッサ１１から加湿器１へ入口５を介して供給される乾燥ガスすなわち加湿対象ガスの圧力よりも低い。
【００２９】
図２ａは、従来技術から既知である、２つの層の金属シートを含むフロープレート１３の詳細の平面図を示す。フロープレート１３は、フロープレート１２およびフローフィールド１５を通して媒体を誘導するための貫通開口１４ａ、４ｂを含む。フローフィールド１５は、フロープレート１３の表面に沿ってガスを誘導するためのチャネル状構造を含む。封止ビード１６ａ、１６ｂは、貫通開口１４ａ、１４ｂをフロープレート１３の外側および内側に対して封止するよう貫通開口１４ａ、１４ｂを包囲する。封止ビード１６ａの開口１７ａは、貫通開口１４ａとフローフィールド１５との間の流体接続を生じさせる。さらなる封止ビード１８は、貫通開口１４ａ、１４ｂおよびフローフィールド１５を外側に対して封止するようこれらを包囲する。
【００３０】
図２ｂは、図２ａのフロープレート１３のタイプのフロープレートを含む積層体２０を通る切断図を示す。図２ｂの切断図の切断面は、図２ａの図面の平面に垂直に位置合わせされており、図２ａに図示する切断線１９に沿って延在する。図２ｂの切断図において、フロープレート１３は各々、各々が互いに例えば溶接される２つの層１３ａ、１３ｂを含むことが明確に理解できる。図２ｂの二重層フロープレート１３間には、水伝達膜が配置される。
【００３１】
図３ａは、本発明に係るフロープレート２５の一実施形態の詳細の平面図を示す。フロープレート２５は、図１ａ、１ｂにおける加湿器１のフロープレートのうちの１つである。フロープレート２５は、隅部に丸みがついた矩形形状を有する。図２ｂに示す既知のフロープレート１３と対比して、本発明に係るフロープレート２５は、丁度一層の金属シートのみを含む。ここで、これは例えばステンレス鋼シートであってよい。ただし、同様に、フロープレート２５の形成に用いられるシートは、他の金属または合金から形成されてもよい。フロープレート２５が形成される元となる金属シートは、好ましくは９０μｍ未満の厚みを有する。 
【００３２】
フロープレート２５は、フロープレートを通して媒体を誘導するための貫通開口２６ａ、２６ｂを含む。例えば、フロープレート２５の貫通開口２６ａは、加湿器１の他のフロープレートの対応する貫通開口と位置合わせされ、またこれらと共に、加湿対象のガスを誘導するための第１導管２７を形成する（図３ｂ参照）。第１導管２７は、加湿器１を通して積層方向２に延び、例えば加湿器１のエンドプレート９上のガス入口５を介して、電気化学システム１０のコンプレッサ１１と流体接続してよい。これに対応して、フロープレート２５の貫通開口２６ｂは、加湿器１の他のフロープレートの貫通開口と共に、除湿対象ガスを誘導するよう機能する第２導管（不図示）を形成してよい。このとき第２導管は、例えば加湿器１のエンドプレート９上のガス入口４を介して、燃料電池積層体１２と流体接続してよい。
【００３３】
フロープレート２５は、図３ａの観察者に向き合うこのフロープレート２５の第１平坦面２８において、第１フローフィールド２９を含む。第１フローフィールド２９は、第１チャネル構造の経路によって画定される方向においてフロープレート２５の第１平坦面２８の表面に沿ってガスを誘導するよう構成される第１チャネル構造を含む。第１フローフィールド２９の第１チャネル構造は、チャネルと、チャネル間に配置されチャネルを互いに分離するウェブとを含む。第１フローフィールド２９の第１チャネル構造は、フロープレート２５を形成する金属シートと一体として設計され、例えばスタンピング器具におけるスタンピングまたは深絞りによって金属シートに形成される。第１フローフィールド９の第１チャネル構造は、第１平坦面２８の反対側に位置し図３ａの観察者から離れたフロープレート２５の第２平坦面３２上において、第２チャネル構造を有する第２フローフィールド３３を形成する。ここで第１フローフィールド２９のウェブは、第２フローフィールド３３のチャネルを形成し、その逆もまた同様である。第２フローフィールド３３は、フロープレート２５の第２平坦面３２に沿ってガスを誘導するよう機能する。
【００３４】
貫通開口２６ａ、２６ｂを加湿器１の外側および内部に対して封止するよう、封止ビード３０ａ、３０ｂが貫通開口２６ａ、２６ｂの各々の周囲に配置される。封止ビード３０ａ、３０ｂは各々、貫通開口２６ａ、２６ｂを完全に包囲する。封止ビード３０ａ、３０ｂは各々、フロープレート２５が製造される元となる金属シートと一体として設計される。例えば、封止ビード３０ａ、３０ｂは、スタンピング器具によるスタンピングによってまたは深絞りによってフロープレート２５の金属シートに形成される。
【００３５】
貫通開口２６ａを包囲する封止ビード３０ａは、その側部において、貫通開口２６ａとフローフィールド２６との間の流体接続を生じさせる開口３１を含む。従って、ガスを、開口３１を介して、貫通開口２６ａにより形成される第１導管２７から出て封止ビード３０ａを通してフローフィールド２９内へと導くことができる。さらなる封止ビード３０ｃが、フロープレート２５の縁部に沿って延在する。封止ビード３０ｃは、フローフィールド２９、３３を、また貫通開口２６ａ、２６ｂと共に封止ビード３０ａ、３０ｂを完全に包囲し、フローフィールド２９、３３および貫通開口２６、２６を加湿器１の外側すなわち周囲に対して封止するよう機能する。
【００３６】
図３ａに係る詳細には明示的に示されていないものとして、同様に第１フローフィールド２９と流体接続し、これを介してフローフィールド２９の領域において加湿されたガスがガス出口６を介して燃料電池積層体１２に供給され得るフロープレート２５の第３貫通開口と、加湿器１の他のフロープレートの対応する貫通開口と共に、ガス出口７を介して周囲に送達され得る除湿済みガスを供給するための導管を形成するフロープレート２５の第４貫通開口とがある。
【００３７】
図３ａの図からさらに見出され得ることとして、フロープレート２５の金属シートは、フローフィールド２９、３３の縁部領域において貫通開口３４を含み、ここでは概観性をより良くする目的でそのうち個々のもののみに参照番号を付している。貫通開口３４は、フロープレート２５の互いに反対側に位置する平坦面におけるフローフィールド２９、３３の間の流体接続を生じさせる。貫通開口３４は、フロープレート２５の表面平面に平行な平面への貫通開口３４の垂直投影が、各々ゼロとは異なる面積を有するように設計される。貫通開口３４のこの設計により、例えば、フロープレート２５の表面平面に垂直な、フロープレート２５の平坦面２８、３２に沿って導かれるガスの流通混合が促進される。これにより、加湿器１の水伝達率を増大させ、またそれによりその効率を増大させることができる。図３ａにおけるフロープレート２５の表面平面は、図面の平面に平行に延在する。これは、例えばフロープレート２５の縁部によって、またはフロープレート２５が製造される元となる金属シートの非変形区域によって画定される。
【００３８】
図３ｂは、加湿器１の内側における区域３５を通る切断図を示し、当該区域はいくつかの加湿器セルにわたって広がる。図３ｂの切断図の切断面は、図３ａの図面の平面に垂直に位置合わせされ、図３ａに図示する切断線４６（Ａ−Ａ）に沿って延在する。区域３５は、フロープレート２５のタイプの第１フロープレート、第２フロープレート３８および水伝達膜４１を含む。ここで第１フロープレート２５、第２フロープレート３８および水伝達膜４１は、積層方向２に沿って積層して配置される。第１フロープレート２５は、互いに構造的に同一である。第２フロープレート３８もまた、互いに構造的に同一である。第２フロープレート３８は、フロープレートの貫通開口を包囲する封止ビードにおける開口のみに関して、第１フロープレート２５と異なる。特に、第１導管２７を包囲する第２フロープレート３８の封止ビードは、それらの側部において、図３ａのフロープレート２５の開口３１のタイプの開口を含まない。第２フロープレート２８は、他の点においては第１フロープレート２５と等しい。従って、特に、第２フロープレート３８も、各々が丁度一層の金属シートから形成される。
【００３９】
従って、加湿器１の積層体の内側は、構造タイプの異なる２つのタイプのフロープレート、具体的には第１フロープレート２５のタイプのフロープレートおよび第２フロープレート２８のタイプのフロープレートのみを含む。従って、加湿器１の製造が大幅に簡略化される。図３ｂの図から見出され得るように、第１フロープレート２５および第２フロープレート２８は、積層方向２において交互となるよう加湿器１内に配置される。従って、積層体の内側においては、各第１フロープレート２５に１つの第２フロープレート３８が積層方向において後続し、各第２フロープレート３８に１つの第１フロープレート２５が後続し、他も同様である。
【００４０】
加湿器１の２つの隣接する単層フロープレート２５、３８の間に、水伝達膜４１のうちの１つが配置される。換言すれば、加湿器１のフロープレート２５、３８および水伝達膜４１は、積層体の２つの隣接する水伝達膜の間に、単一層フロープレート２５、３８のうちの多くとも１つ（図３ｂの例示的実施形態においては厳密に１つ）が配置されるように配置される。二重層フロープレートが２つの隣接する水伝達膜の間に各々配置される既知の加湿器と対比して、単一層フロープレートを有する図３ｂに示す構成は、加湿器の重量、製造コストおよび効率に関して顕著な利点を有することは明らかである。特に、単層フロープレートを有する加湿器によれば、二重層フロープレートを有する加湿器と比較して、加湿器の総体積のより大きな割合が、加湿対象のガスを受けるため、および除湿対象のガスを受けるために利用可能となり、それによって体積あたりの水伝達率が著しく増大する。
【００４１】
切断線４６に沿った第１部分領域４７において、図３ｂにおけるフロープレート２５、３８は各々、両平坦面上において、フロープレート２５のフローフィールド２９、３３のようなチャネル構造が設けられたフローフィールドを含む。フローフィールドの領域における水伝達膜４１ａの両側において、水伝達膜４１と隣接するフロープレート２５、３８との間に、ガス拡散層（ＧＤＬ）が各々配置される。ＧＤＬは、水伝達膜４１を介した水伝達率の改善の他、特に水伝達膜４１を支持するよう機能する。
【００４２】
第１導管２７の両側に配置される、切断線４６に沿った第２部分領域４８および第３部分領域４９において、フロープレート２５、３８は各々、フロープレート２５の封止ビード３０ａのように、第１導管２７を形成する貫通開口を封止するようこれらの貫通開口の周囲に配置される封止ビードを含む。
【００４３】
切断線４６に沿った第４部分領域５０において、フロープレート２５、３８は各々、フロープレート２５の封止ビード３０ｃのように、フロープレート２５、３８の縁部に沿って延在し、加湿器１の内側を加湿器１の周囲に対して封止するさらなる封止ビードを含む。
【００４４】
切断線４６に沿った位置５１において、フロープレート２５、３８は、それらのフローフィールドの領域において、各々、フロープレート２５の貫通開口３４のように、それぞれのフロープレートの互いに反対側に位置する２つの平坦面上のフローフィールドの間の流体接続を各々生じさせる貫通開口を含む。従って、特定のガスを受けるためのガス空間つまり体積が、一の水伝達膜４１から最も近くに位置する水伝達膜４１まで、フロープレート２５（および３８のそれぞれ）を通して形成される。
【００４５】
これに対し、先述のとおり、切断線４６に沿った２つの位置５２においては、積層体の１つおきのフロープレートのみが、乾燥ガスまたは加湿対象ガスを誘導するための第１導管２７の周囲に配置される封止ビードのそれぞれの側部において開口を含む。従って、各々１つおきのガス空間のみが、導管２７を介して乾燥ガスで充填され、一方でその間に位置するガス空間は、湿潤ガスまたは除湿対象ガス（図３ａにおいては不図示）で充填されることが確実になる。従って、湿度交換が、互いに隣接して加湿器セルに属するガス空間を互いに分離する水伝達膜４１を介して実現される。
【００４６】
本発明の単層設計のフロープレート２５、３８は、とりわけ、それぞれのフロープレートの金属シートに形成される同じ封止ビード、例えばフロープレート２５の封止ビード３０ａ、３０ｂ、３０ｃが、金属シートの互いに反対側に位置する平坦面上に少なくとも１つの封止ラインを形成することによって可能となる。ここで、積層体の隣接するフロープレートの互いに向き合う封止ラインの間に、水伝達膜４１のうちの少なくとも１つが封止的に押し挟まれる。従って、加湿器１のフロープレート２５、３８は、隣接するフロープレートがそれらの封止ラインに沿って互いに支持されるように設計および配置される。図３ｂにおいて、切断線４６に沿ったフロープレート２５、３８の封止領域の位置が、５３、５４および５５で標示されている。
【００４７】
例えば、図３ｂにおいて、切断線４６に沿った部分領域４９におけるフロープレート２５、３８の封止ビードは、部分領域４９におけるフロープレート２５、３８の封止ビードの各々が、平面状の封止頂部とビード側部上へ接続する２つのビード脚部とを含むように設計される。ここで、ビード頂部およびビード脚部は各々、フロープレートの表面平面に平行に延在する。図３ｃは、２つの第１封止ライン５３１、５３２が、ここでは各々がそれぞれのフロープレートの金属シートの第１平坦面上の封止頂部の端部上に形成され、２つの第２封止ライン５４１、５４２が、ここでは金属シートの第１平坦面の反対側に位置する第２平坦面上の２つのビード脚部によって形成されることを示す。領域５５においては、単一の封止ライン５５１が半ビードと共に生じる。これにより、同じ封止ビードにより形成される封止ラインの一部は、各々、金属シートの互いに反対側に位置する平坦面上におけるそれぞれのフロープレートの表面平面に平行に連続的に離隔される。図３ｂにおいて、フロープレート２５、３８の封止ラインは各々、封止領域５３、５４において、図面平面に垂直に、具体的にはビード３０ａ、３０ｃの経路に沿って延在する。
【００４８】
図４は、さらなる実施形態に係る加湿器１の内側における一区域の切断図を示す。ここでもやはり、各々単一層の金属シートから形成されるフロープレート６０〜６５と、水伝達膜７０〜７６とを有する積層体の詳細を図示する。フロープレート６０〜６５および水伝達膜７０〜７６は交互に積層され、そのため、図３ａと同様に、２つの隣接する水伝達膜の間に単層フロープレート６０〜６５のうちの丁度１つが配置される。第１部分領域８０において、フロープレート６０〜６５は各々、それぞれのフロープレートの金属シートに形成されるチャネル構造を有するフローフィールドを含む。図群３の例と対比して、ここではフロープレートは、それらの側部において貫通開口を含み、そのうち１つのみが明示的に参照番号５９で標示されている。これら複数の貫通開口５９により、図３ａに示すフローフィールドの縁部における貫通開口３４よりも、フロープレートの両側におけるガス流動のよりいっそう良好な均一化が可能となる。ガス拡散層が、フローフィールドの領域において水伝達膜７０〜７６の両側に配置され、各場合において、水伝達膜７０、７６上の２つのガス拡散層のうち１つのみが視認可能である。封止ビードが、フロープレート６０〜６５の第２部分領域８１におけるそれぞれのフロープレートの金属プレートに形成される。第２部分領域８１における封止ビードは、フロープレート６０〜６５において互いに位置合わせされる貫通開口によって形成される導管８２を、第１部分領域８０におけるフローフィールドに対して封止するよう機能する。
【００４９】
図３ｂと同様に、図４における第２部分領域８１におけるフロープレート６０〜６５の封止ビードは各々、フロープレート６０〜６５の各々の第１平坦面上の第１封止領域５３が丸いビード頂部により与えられ、ここでは２つのフロープレートの間の丸いビード頂部に起因して、これは常に丁度１つの第１封止ライン５３１を形成し、また第１平坦面の反対側に位置する第２平坦面上の２つの第２封止領域５４が、ビード頂部の両側におけるビード側部に各々接続するビード脚部により与えられるように設計される。ビード脚部の封止領域５４は、ここでも同様に両方が丁度１つの封止ライン、具体的には第２封止ライン５４１および５４２を形成する。例えば、フロープレート６１、６２の封止頂部は、互いに向き合って互いに支持され、水伝達膜７２がフロープレート６１、６２のビード頂部の間に受けられて押し挟まれる。
【００５０】
同様に、フロープレート６２、６３のビード脚部は、互いに向き合い、それら同士を互いに支持し、水伝達膜７３がフロープレート６２、６３のビード脚部の間に受けられて押し挟まれる。
【００５１】
図３ｂと対比して、図４における全てのフロープレート６０〜６５が構造的に同一に設計される。特に、図４に係る加湿器１の積層体の内側における全てのフロープレートが、構造的に同一に設計されてよい。従って、１つのスタンピング器具のみが必要となるので、加湿器の製造のコストおよび時間をなおいっそう低減することができる。例えば、構造的に同一のフロープレート６０〜６５は各々、少なくとも二回対称性を有する少なくとも１つの対称軸を含んでよい。図３ｂに係るフロープレート２５、３８と対比して、図４に係るフロープレート６０〜６５はさらに、第１部分領域８０におけるフローフィールドの領域において貫通開口を含まない（図３ｂにおける位置５１を参照）。
【００５２】
理解に難くないように、各々が互いに構造的に同一であるフロープレート６０〜６５の２つの平坦面は各々、図４においては異なっているように設計される。例えば、図４において、フロープレート６０、６２、６４の第１平坦面は上方を向き、一方でフロープレート６１、６３、６５の第１平坦面は下方を向いている。従って、図４において、隣接する構造的に同一なフロープレートは、それらの第１平坦面および第２平坦面が交互に互いに向き合う。例えば、フロープレート６１、６２は、それらの第１平坦面が互いに向き合い、フロープレート６２、６３は、それらの第２平坦面が互いに向き合う。
【００５３】
図５は、さらなる実施形態に係る加湿器１の内側における一区域の切断図を示す。特に、隣接するフロープレート８３、８４が図示されており、フロープレート８３、８４はやはり各々丁度一層の金属シートから形成される。さらに、加湿器１の隣接するフロープレートの間に配置される水交換膜８５〜８７が図示されている。加えて、ガス拡散層９８、９９が図５の右側部分領域において図示されている。
【００５４】
部分領域８８における、金属シートに形成されるフロープレート８３、８４の封止ビードは各々、フロープレート８３の封止ビードが、位置８９においてその第１平坦面８３ａ上に第１封止ラインを、および位置９０においてその第２平坦面８３ｂ上に第２封止ラインを形成するよう形成される。これに対応して、フロープレート８４の封止ビードは、位置８９においてその第１平坦面８４ａ上に第１封止ラインを、および位置９０においてその第２平坦面８４ｂ上に第２封止ラインを形成する。フロープレート８３、８４は、フロープレート８３が、フロープレート８４と対比して、部分領域８８における封止ビードに開口９５、９６を含むという点のみにおいて異なる。
【００５５】
フロープレート８３、８４は、それらの第２平坦面８３ｂ、８４ｂが互いに向き合い、位置９０において、互いに向き合うそれらの第２封止ラインに沿って互いに支持される。水伝達膜８６は、位置９０において、互いに向き合うフロープレート８３、８４の第２封止ラインの間に封止的に受けられる、特に押し挟まれる。フロープレート８３、８４は各々、位置８９におけるフロープレート８３、８４の第１封止ラインに沿って、ここでは明示的に図示されていないさらなる隣接プレートに支持され、そしてフロープレート８３の、およびここでは明示的に図示されていない隣接プレートの封止ライン間に、水伝達膜８５、８７が封止的に受けられる。
【００５６】
部分領域８８におけるフロープレート８３、８４の金属シートに形成される封止ビードは、位置８９、９０における封止ラインに沿って、例えばエラストマの形態である被膜９１〜９４をさらに含む。当該被膜は、封止ラインの領域における封止ビードの封止作用、特に微細封止を改善する。
【００５７】
図６は、さらなる実施形態に係る加湿器１の内側における一区域の切断図を示す。特に、隣接するフロープレート１００、１０１が図示されており、フロープレート１００、１０１はやはり各々丁度一層の金属シートで形成される。さらに、加湿器１の隣接するフロープレートの間に配置される水交換膜１０２〜１０４が図示されている。加えて、ガス拡散層９８、９９が図６の右側部分領域において図示されている。部分領域１０５においてフロープレート１００、１０１の金属シートに形成される封止ビードは各々、半ビード１０５ａと、半ビード１０５ａに接続する全ビード１０５ｂと含む。
【００５８】
従って、フロープレート１００、１０１は、それらの各平坦面１００ａ、１００ｂ、１０１ａ、１０１ｂ上に３つの封止ラインを含む。互いに離れたそれらの第１平坦面１００ａ、１０１ａにおいて、フロープレート１００、１０１は、位置１０６、１０８、１０８'において封止ラインを含み、互いに向き合うそれらの第２平坦面１００ｂ、１０１ｂにおいて、フロープレート１００、１０１は、位置１０７、１０７'、１０９において封止ラインを含む。フロープレート１０１、１０１は、位置１０７、１０７'、１０９において、互いに向き合うそれらの封止ラインに沿って互いに支持され、その中でフロープレート１００、１０１の間に水伝達膜１０３を押し挟む。互いに離れたそれらの封止ラインに沿って、フロープレート１００、１０１は、位置１０６、１０８、１０８'においてここでは不図示の隣接プレートに支持され、その中で水伝達膜１０２、１０４を押し挟む。フロープレート１００、１０１に隣接する隣接プレートは、例えば図７に図示されている。
【００５９】
図８は、さらなる実施形態に係る加湿器１の内側における一区域の切断図を示す。特に、積層されたフロープレート１１０〜１１５が図示されており、フロープレート１１０〜１１５はやはり丁度１つの位置の金属シートから形成される。隣接するフロープレート１１０〜１１５の間およびフロープレート１１５の下方にそれぞれ配置される水交換膜１２０〜１２６が、さらに図示されている。部分領域１２７、１２８における封止ビードには各々、位置１２９〜１３２において封止ラインが設けられる。例えば、フロープレート１１０〜１１５のフローフィールドは、部分領域１３３内であって、具体的には好ましくはフロープレート１１０〜１１５の両側に配置される。
【００６０】
部分領域１２７における封止ビードは、乾燥ガスを誘導するための導管１３４を封止するよう機能し、部分領域１２８における封止ビードは、湿潤ガスを誘導するための導管１３５を封止するよう機能する。部分領域１２７において、フロープレート１１１、１１３、１１５の封止ビードは各々、乾燥ガスを誘導するための導管１３４とこれらのフロープレートのフローフィールドとの間の流体接続を部分領域１３３において生じさせる開口を含む。従って、乾燥ガスは、フロープレート１１１、１１３、１１５の両方の表面上を流動し、ここでは水交換膜１２０〜１２６を介して湿度を吸収する。これに対し、部分領域１２８において、フロープレート１１０、１１２、１１４の封止ビードは各々、湿潤ガスを誘導するための導管１３５とこれらのフロープレートのフローフィールドとの間の流体接続を部分領域１３３において生じさせる開口を含む。従って、湿潤ガスは、フロープレート１１０、１１２、１１４の両方の表面上を流動し、ここでは水交換膜１２０〜１２６を介して水を放出する。このように、水伝達膜１２０〜１２６の間の加湿器セルには、積層方向２において湿潤ガスおよび乾燥ガスが交互に供給され、これにより水伝達膜１２０〜１２６を介して湿度交換を行うことができる。
【００６１】
最後に、図８におけるフロープレート１１０〜１１５は、全てが構造的に同一に設計されるが、それらの位置合わせに関しては交互に配置されることが理解できる。例えば、図８におけるフロープレート１１０、１１２、１１４の各々の位置合わせは、フロープレート１１０、１１２、１１４を各々図面の平面に垂直なそれぞれのフロープレートの対称軸に関して１８０度回転させることによって、それぞれこれに隣接するフロープレート１１１、１１３、１１５の位置合わせとすることができる。そのため、構造的に同一なフロープレート１１０〜１１５はやはり、交互にそれらの第１平坦面および第２平坦面が互いに向き合う。従って、図８に図示する例示的実施形態の全体構造は、本発明に係る前述の例示的実施形態のもののように、単極性である。
【００６２】
図９ａは、さらなる実施形態に係る加湿器１の内側における一区域の切断図を示す。特に、積層されたフロープレート２００〜２０３が図示されており、フロープレート２００〜２０３はやはり各々厳密に一層の金属シートから形成される。隣接するフロープレート２００〜２０３の間に配置され、各々が加湿器１の隣接する加湿器セルを互いに区切る水交換膜２１０〜２１７が、さらに図示されている。部分領域２１８、２１９における封止ビードは各々、具体的には位置２２０、２２１、および２２２、２２３において、金属シートの各側に封止ラインを含む。例えば、フロープレート２００〜２０３のフローフィールドは、部分領域２２４内であって、具体的には好ましくはフロープレート２００〜２０３の両側に配置される。
【００６３】
湿潤ガスを誘導するための、フロープレート２００〜２０３の貫通開口により形成される導管２２５は、部分領域２１８、２１９における封止ビードによって、部分領域２２４におけるフローフィールドに、および加湿器１の周囲に対して封止される。部分領域２１９における封止ビードの開口により、１つおきのガス空間への湿潤ガスの計量供給が可能となる。これらは、水伝達膜２１０および２１１、２１２および２１３、２１４および２１５、ならびに２１６および２１７により囲まれるガス空間である。残りのガス空間は、乾燥ガスを供給するよう、乾燥ガスまたは加湿対象ガスを誘導するための導管２２６と流体接続する。これらは、水伝達膜２１１および２１２、２１３および２１４、ならびに２１５および２１６により囲まれるガス空間である。
【００６４】
特に、図９ａに係る加湿器１は、フロープレート２００〜２０３および水伝達膜２１０〜２１７が、２つの隣接するフロープレートの間に水伝達膜２１０〜２１７のうち厳密に２つが配置されるように積層されるという点で、先述の例示的実施形態とは異なる。従って、部分領域２１８、２１９において、隣接するフロープレートの封止ビードの互いに向き合う封止ラインの間に、水伝達膜２１０〜２１７のうちの２つが封止的に押し挟まれる。
【００６５】
導管２２６の領域に配置され、乾燥ガスすなわち加湿対象ガスを受けるための体積を各々が囲む水交換膜の対を隣接するフロープレート２００〜２０３に封止的に押し付ける環状スペーサ２３０〜２３２を介して、乾燥ガスを誘導するための導管２２６の、湿潤ガスを受けるための加湿器セルに対する封止が実現される。環状スペーサ２３０〜２３２は各々、乾燥ガスを誘導するための導管２２６と、乾燥ガスまたは加湿対象ガスを受けるための、水交換膜２１０〜２１７により包囲される体積との間の流体接続を各々が生じさせる開口２３０ａ〜２３２ａを含む。
【００６６】
湿潤ガスを誘導するための導管２２５は、ガス入口４を介して燃料電池積層体１２と流体接続する。乾燥ガスを誘導するための導管２２６は、ガス入口５を介してコンプレッサ１１と流体接続する。水交換膜２１０〜２１７により包囲され導管２２６と流体接続する、乾燥ガスを受けるための体積は、コンプレッサ１１からの乾燥ガスの、湿潤ガスよりも大きい圧力に起因して、電気化学システム１０の動作時に自動的に膨張し、従って隣接するフロープレートに押し付けられる。
【００６７】
図９ｂ、図９ｃ、図９ｄは、図９ａの環状スペーサ２３０の種々の実施形態を示す。実施形態に応じて、環状スペーサ２３０は、乾燥ガスを誘導するための導管２２６と、乾燥ガスを受けるための、水交換膜２１０〜２１７により包囲される体積との間の流体接続を生じさせるよう、例えば、環状の表面における開口２３０ａ、環状スペーサの表面上の丸い凹部２３０ｂまたは角のある凹部２３０を含んでよい。
【００６８】
図１０ａおよび１０ｂは、本発明に係る加湿器の単極性構造を明確に示す、ごく模式的な図である。ここで、図１０ａは、互いに隣接する２つの水交換膜４１の間に単層フロープレート２５、３８を各々有する、図３ａから図８に示す構造を図示する。乾燥ガスつまり加湿対象ガス（「Ｄ」）およびその後の過程で加湿済みとなったガスは、フロープレート２５の両側を流動する。湿潤ガスつまり湿度を放出するガス（「Ｗ」）およびその後の過程で湿度が低減したガスは、フロープレート３８の両側を流動する。フロープレートは、構造的に同一に設計されるが、異なる向きで設置されてよく、これは鏡像反転パターンにより表される。
【００６９】
図１０ｂは、図群９の例示的実施形態の構造を図示す。これは、フロープレート２５に代えて１つのみのスペーサ２３０のみが存在するという点で、図１０ａのものとは異なり、当該スペーサは、残りの構造の表面全体にわたって延びていない。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ−３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【国際調査報告】
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